黄 菁

(北京建材地质工程有限公司，北京 100102)

0 引言

近年来，随着经济的快速发展，地铁新线的大规模建设和地铁线网不断加密，必然会引起各条线路的交叉，新建地铁临近既有地铁结构施工的情况日益增多。在新建地铁隧道穿越既有地铁的过程中，当新旧结构特别靠近时，如果不采取专门的对策，新建地铁会对既有地铁结构产生不利的影响，如变形、沉降甚至可能因强度不足而破坏[1,2]，因此当处理这类工程时既要保证既有结构的安全使用又要保证新建工程的顺利安全施工，因此对施工引起的变形量和沉降控制非常严格[3]。

本文依据北京现代有轨电车西郊线工程颐和园—巴沟站区间隧道上跨既有10号线盾构区间的工程实例，建立三维有限元模型，模拟西郊线区间明挖隧道施工全过程,通过对既有盾构区间结构的受力、变形、沉降等分析，得到明挖隧道上跨既有区间时的受力和变形规律，为其他类似工程提供借鉴和参考。

1 工程概况

1.1 区间介绍

本区间为地下区间，整体呈东西走向，西起颐和园西门，东至10号线巴沟站，区间下穿四环主路，辅路及匝道，下穿昆玉河、蓝靛厂路、电力、雨污水等重要管线，上跨10号线盾构区间。区间结构型式为现浇钢筋混凝土U型槽，区间围护结构型式为土钉墙+放坡，上跨范围内，U型槽结构底板与既有区间管片外皮竖向距离为3.42 m～3.86 m。明挖区间与既有区间平面关系如图1所示。

1.2 工程地质与水文地质

1)工程地质。

区间所在土层从上到下依次为①粉土填土、②黏质粉土、砂质粉土、②1粉质黏土、②3粉细砂、⑤卵石。

2)水文地质。

地下水类型及水位。

潜水(二)，水位埋深11.00 m～13.70 m，水位标高38.39 m～39.07 m，含水层岩性主要为⑤层卵石、⑤1层中粗砂、⑤3层黏质粉土，透水性好。

承压水(三)，含水层岩性主要为⑦层卵石、⑦1层细中砂及⑨层卵石，透水性好。

2 施工方案比选

既有区间结构外皮埋深约10.8 m，新建U型槽结构底板与既有区间管片外皮竖向距离为3.42 m～3.86 m。故本工程宜采用明挖法施工，围护结构可选用钻孔灌注桩或土钉，由于基坑埋深较浅，且与既有结构距离较近，若采用钻孔灌注桩施工会对既有结构产生较大扰动，造价高经济效益差，故最终选用对既有结构扰动小、经济合理的土钉支护方式，土钉钻孔直径120 mm，水平间距1.2 m，梅花形布置。

3 施工过程数值计算分析

3.1 基坑开挖模拟步序

为了减少基坑开挖对既有线盾构区间的影响，明挖U型槽段分三期施工，每期施工1/3上跨长度的基坑，每段开挖的长度分别为13 m，10 m，10 m，共5步，如图2～图6所示。

第一步：基坑开挖之前，自地面采用深孔注浆加固拟开挖的基坑坑底土体及既有线结构两侧2 m范围以外3 m宽度土体，减少开挖对既有线结构的扰动。

本文采用Yin(2003)对案例研究资料的收集规则，首先利用多种渠道采集企业的基本信息和与本研究相关的资料。然后利用互联网技术收集相关二手资料，如通过中国知网、万方等国内主流知名数据库收集关于“三只松鼠”的案例研究记录、案例研究文件、图表资料等，建立案例研究资料库。最后，对建立的案例分析数据库进行深度文本分析，找到本案例研究所需的引证来源，结合相关理论，得出研究结论。

第二步：待深孔注浆达到强度后，先分层开挖既有区间左线上方土体，基坑正下方既有区间上浮位移大于未开挖侧既有区间，开挖后应及时施作土钉支护及喷混凝土护坡。

第三步：待既有区间左线上方基坑开挖完成后，及时施作U型槽结构底板及侧墙，并在此施工过程中严格控制既有线上浮量。

第四步：待U型槽结构完成并达到强度后，继续开挖既有线左右区间之间土体，此时既有线右线区间上浮量逐渐增大，开挖后应及时施作土钉支护及喷混凝土护坡，待土体开挖完成后，及时施作U型槽结构底板及侧墙，并在此施工过程中严格控制既有线上浮量。

第五步：待U型槽结构完成并达到强度后，继续开挖既有区间右线上方土体，此时既有线右线区间上浮量逐渐增大至峰值，开挖后应及时施作土钉支护及喷混凝土护坡，待土体开挖完成后，及时施作U型槽结构底板及侧墙，并在此施工过程中严格控制既有线上浮量。

3.2 上跨既有区间数值模拟计算

本模型采用地层—结构法计算，利用大型通用有限元软件Midas进行计算分析地面沉降及围岩变形。三维模型计算的初始条件是新建地铁明挖区间尚未开挖，并且认为既有结构以及所在地层均处于变形稳定的状态。考虑岩土工程施工过程中的空间效应，采用三维计算分析新建明挖隧道开挖对既有结构的影响，从而进行建模。围岩材料的本构模型采用摩尔库仑准则，并考虑围岩的非线性变形。模型围岩采用弹塑性各向同性材料模拟，地层采用实体单元模拟，衬砌采用梁单元模拟，结合规范及经验确定岩土应力释放系数。根据地质勘查报告和结构断面建立有限元模型，隧道开挖宽度为19.5 m，开挖深度为6.4 m～7.7 m，计算模型见图7，图8。

3.3 数值模拟计算结论

基坑与既有区间为斜向交角上跨，分三期施工，每期施工约1/3上跨长度，每段开挖的长度分别为13 m，10 m，10 m。经模拟计算分析可知，随着基坑开挖位置及深度逐渐邻近既有线区间结构，既有线区间结构底板上浮量逐渐加大，开挖位置越邻近、开挖深度越深，既有线区间结构上浮量越大，最终导致既有区间隧道底板上浮量为1.45 mm，基坑底隆起3.05 mm，满足变形控制要求。

4 对既有结构的监控量测

4.1 监测项目及测点布置

基坑开挖期间，基坑开挖深度h≤5 m,1次/3 d；基坑开挖深度5 m

4.2 变形控制指标

针对本论文研究项目，并根据以往北京地区工程经验，既有区间按以下数据作为控制指标：隧道变形及轨面变形为2 mm。根据目前三维模型的模拟计算结果，建筑物的变形均不超过控制指标。

5 施工措施

1)采取基坑底至既有线区间上方1.5 m处及既有线区间两侧2 m范围以外进行深孔注浆加固的保护措施。

2)采用袖阀管深孔注浆，注浆孔应与既有区间管片外皮保持1.5 m的距离，避免注浆成孔及注浆时对既有区间产生影响。

3)注浆施工前需提前试验，确定注浆参数。深孔注浆压力为0.2 MPa～0.3 MPa，扩散半径0.5 m，注浆浆液为水泥—水玻璃浆，注浆过程中注意控制注浆压力，防止注浆压力过大对既有线产生影响。

4)加固后的土体28 d无侧限抗压强度不小于0.8 MPa。

5)施工时应密切注意土体变化，加强量测，及时反馈量测信息，及时根据量测结果调整施工参数以确保工程质量。

6)U型槽结构上跨影响范围内的既有线区间管片建议采取纵向拉紧措施。

6 结语

本文通过对新建地下区间结构左右线同时开挖工况的相关计算分析，得到以下结论：

1)明挖区间上跨既有区间结构时，既有结构和新建明挖结构均产生变形，变形最大位置处在距离新建结构最近的既有结构位置处。

2)明挖区间左右线采取上跨前、上跨左线、上跨右线三步进行施工，每段开挖的长度分别为13 m，10 m，10 m，则既有区间上方土荷载分为三步释放，使得既有结构的变形、地表沉降和新建隧道的变形都明显大于整体开挖的工况。

3)施工监测应重点针对既有区间拱顶、侧壁及轨面等重要位置，必要时加密监测点并提高监测频率。

综上所述，明挖区间上跨既有区间时，基坑开挖产生的卸载效应必然会导致既有区间出现上浮，在设计和施工中需将此作为风险源重点关注，可通过设管理、设计、施工、监测等手段，必要时还可对既有隧道采取注浆加固措施，将基坑开挖的影响控制在满足规范要求的安全范围内，使既有隧道处于安全运营状态。